咬合接触对桩核冠修复后牙体及牙周组织应力分布的影响

咬合接触对桩核冠修复后牙体及牙周组织应力分布的影响
姚蔚;陈维毅;李冰;赵彬;王为
【摘要】背景：桩核冠修复牙体缺损是恢复牙齿形态与功能的有效方法，但其修
复效果受到多种因素影响，需进一步研究多重影响的效应以优化设计。

<br>
目的：研究不同咬合接触状态下，不同程度牙体缺损采用不同桩核材料修复后的组织应力水平变化。

<br> 方法：通过CT数据建立人下颌第一磨牙的三维实体
模型，并通过软件生成完整天然牙、6种缺损形式(全颌面轻度缺损、全颌面重度
缺损、近中颌面轻度缺损、近中颌面重度缺损、远中颌面轻度缺损、远中颌面重度缺损)及2种桩核(纤维桩、氧化锆桩)冠修复的模型，导入ANSYS三维有限元软件，分析在稳定咬合接触(ABC)和不稳定咬合接触(AC)状态下的牙体、牙周组织应力。

<br> 结果与结论：相对于稳定咬合(ABC)接触，不稳定咬合(AC)接触提高了
牙体和牙周组织应力水平，并且不稳定咬合对修复后牙影响更明显；采用高弹性模量的桩材料修复时，牙体组织应力更高且缺损越大应力越高；纤维桩修复后牙周组织应力略高于氧化锆桩，与缺损形式关系不明显；结果表明，临床修复体咬合调整需精确恢复，尤其是不能缺少B区接触。

%BACKGROUND:The post-core crown system is an effective method for dental defect repair, but its repair outcomes are influenced by various factors;thereby, a further study is needed to optimize this method.OBJECTIVE:To investigate the stress distribution in different degrees of dental defect after post-core crown restoration under different occlusal contacts. METHODS:Three-dimensional models of the mandibular first molar were established by CT images, and models of complete natural teeth, six different defected teeth (total maxil ofacial slight and severe defects, distal middle maxil ofacial slight and
severe defects, proximal middle maxil ofacial slight and severe defects) and two different post-core crowns (fiber post and zirconia post) were created by software. These models were imported into ANSYS software to analyze the stress distribution in dentin and periodontium under stable occlusal contact (ABC) and unstable occlusal contact (AC), respectively. RESULTS AND CONCLUSION:The stress in dentin and the periodontium after post-core crown restoration under AC was obviously higher than that under ABC, and AC affected the restored teeth more markedly. The post-core crown material with higher elastic modulus could induce higher stresses, and severe defected teeth showed higher stress distribution. Different defected types made no overt effects on the stress distribution in the periodontium. These results suggest that the B area contact is critical in regulating occlusal contacts of restoration.
【期刊名称】《中国组织工程研究》
【年(卷),期】2017(021)004
【总页数】6页(P615-620)
【关键词】组织构建;组织工程;下颌第一磨牙;牙体缺损;纤维桩;树脂核;氧化锆桩;咬合;力;Von Mises应力;国家自然科学基金
【作者】姚蔚;陈维毅;李冰;赵彬;王为
【作者单位】太原理工大学应用力学与生物医学工程研究所，山西省太原市030024; 山西医科大学口腔医院，山西省太原市 030001;太原理工大学应用力学与生物医学工程研究所，山西省太原市 030024;山西医科大学口腔医院，山西省
太原市 030001;山西医科大学口腔医院，山西省太原市 030001;乌鲁木齐大为创新信息科技有限公司，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830013
【正文语种】中文
【中图分类】R318
0 引言 Introduction
牙体缺损桩核冠修复是恢复牙齿形态和功能的有效方法，其预后取决于多种因素，包括牙体缺损的程度[1]、修复方式和材料的选择[2]、牙齿形态及咬合状态等因素[3]。

前期研究认为牙体缺损程度是最主要影响因素[4]，同时修复体的配置、修复后咬合恢复的状态都是重要影响因素[5]。

健康牙的咬合在牙间交错位时可达到3区稳定接触，以获得正中稳定，即ABC 3区接触[6]，A区为下后牙颊尖颊斜面与上后牙颊尖舌斜面的接触区，B区为下后牙颊尖舌斜面与上后牙舌尖颊斜面的接触区，C区为下后牙舌尖颊斜面与上后牙舌尖舌斜面的接触区，ABC接触是生理条件下磨牙颌面典型接触形式，有利于达到正中稳定，分散颌力，减少咬合力对牙的创伤，有研究表明B区接触有特殊的重要性[7](图1)。

但咬合接触对整个桩核冠修复系统的影响程度未见报道，实验拟采用有限元分析法，研究稳定咬合接触(ABC)和不稳定咬合接触(AC)条件下，不同程度牙体缺损配置不同材料桩核冠修复后的下颌第一磨牙牙体及牙周支持组织的应力分布变化，为临床操作提供指导。

图1 咬合接触示意图Figure 1 Schematicdiagram of occlusal contact图注：图中A代表下后牙颊尖颊斜面与上后牙颊尖舌斜面的接触区，B代表下后牙颊尖舌斜面与上后牙舌尖颊斜面的接触区，C代表下后牙舌尖颊斜面与上后牙舌尖舌斜面的接触区。

1 材料和方法 Materials and methods
1.1 设计单一样本观察实验。

1.2 时间及地点实验于2015年3至9月在山西医科大学口腔医院完成。

1.3 实验方法
建立几何模型：36岁成年男性志愿者1名，牙列完整，无牙体牙髓牙周病变，采用口腔锥形束CT(3DX MULTI-IMAGE MICRO CT，日本森田)扫描右侧上下颌，导出DICOM格式备用。

将DICOM格式数据导入MIMICS软件，根据阈值分别提取右侧下颌第一磨牙牙体及牙周组织外形并导入ANSYS，生成完整天然牙(Sound Teeth，ST)模型。

本牙为三根管(近中唇侧、近中舌侧及远中)的双根牙(近中根、远中根)，符合中国人牙体外形标准[8]。

采用ANSYS前处理软件的分割、剪切、扩增、布尔运算功能，生成包括牙冠、牙本质、桩、核的三维有限元模型。

牙冠边缘位于釉牙本质界处，冠边缘厚度0.8 mm，轴面平行并向颌方聚合5°，分别在近中唇、近中舌及远中根管内生成直径1.5 mm的桩模型，桩末端的1.5 mm呈较钝的圆锥形，距离根尖4 mm。

进而对牙体模型进行分割，形成颌龈向轻度缺损和重度缺损两种牙体缺损2两种牙体缺损模式，即牙预备体向龈向预备1.5 mm形成轻度缺损，预备4.5 mm形成重度缺损，此时之剩余牙体组织的边缘距离牙冠边缘为0.5 mm，也就是形成0.5 mm的牙本质肩领。

将预备体沿近远中方向分为近中和远中2部分，与颌面缺损程度排列组合形成6种缺损形式，分别为全颌面轻度缺损、全颌面重度缺损、近中颌面轻度缺损、近中颌面重度缺损、远中颌面轻度缺损及远中颌面重度缺损。

分别生成与缺损相配套的核部分。

牙根向外扩增0.2 mm生成牙周膜，牙槽骨简化为包绕牙根的边长30 mm的立方体，上缘位于釉牙本质界下方2 mm处。

建立三维有限元模型：将几何模型导入ANSYS15.0软件，划分四面体网格，对所涉及材料赋值。

所用材料属性，见表1[9-12]，设定所有材料为均质、各向同性、
线弹性，各部分之间无滑动，牙槽骨外周固定约束。

表1 材料属性Table 1 Properties of the material材料名称弹性模量(MPa) 泊
松比牙本质[9] 18 600 0.31氧化锆[11] 205 000 0.31纤维桩[12] 16 000 0.30树脂核[12] 13 000 0.30牙周膜[10] 68.9 0.45皮质骨[10] 13 700 0.30松质骨[10]
1 370 0.30
加载方式：模拟磨牙咬合最大载荷，总加载600 N[13]，每加载区域面积1
mm2[14]，采用颌面8区(ABC)和5区(AC)分布加载，模拟后牙稳定咬合接触(ABC)和不稳定咬合接触(AC)两种情况[15]。

加载方向垂直于牙尖斜面[16]。

加载
方式见示意图，见图2。

图2 加载方式示意图Figure 2 Schematic diagram of loading methods图注：图中A代表下后牙颊尖颊斜面与上后牙颊尖舌斜面的接触区，B代表下后牙颊尖
斜面与上后牙舌尖颊斜面的接触区，C代表下后牙舌尖颊斜面与上后牙舌尖舌斜面的接触区。

1.4 主要观察指标比较完整牙及不同程度缺损牙修复后的牙本质及与牙周组织的von Mises应力峰值及分布。

2 结果 Results
2.1 稳定ABC咬合接触与不稳定AC咬合接触下牙本质von Mises应力峰值及分
布比较牙本质应力分布与咬合接触状态有显著关系，不稳定咬合接触(AC)时牙本
质应力峰值显著高于稳定咬合接触(ABC)。

桩核材料选择对牙本质应力峰值有明显影响，氧化锆桩修复后明显高于纤维桩修复后。

不同缺损条件亦有影响，但不明显。

牙本质最大von Mises应力峰值及比较，见图3。

应力分布在各种缺损和修复配置中未见明显差异，均出现于近中根远中方向根分叉下方，远中根远中方向应力水平亦较高，另在预备体的冠边缘远中区域也有较高的应力水平，因各种缺损的差异不明显，故以完整天然牙，全颌面轻度缺损和全颌面
重度缺损为例示应力分布，见图4。

稳定咬合接触(ABC)时，牙本质应力峰值受桩核材料影响，氧化锆桩修复后高于纤维桩修复后63.6%，且高于完整天然牙的牙本质应力峰值36%，纤维桩修复后牙
本质应力峰值低于完整天然牙牙本质应力峰值17%，纤维桩修复可以降低牙本质
应力峰值。

牙体缺损程度亦有一定影响，重度缺损的应力水平高于轻度缺损，但是近中颌面缺损、远中颌面缺损和全颌面缺损3种缺损形式之间无明显差异。

图3 各组牙本质von Mises应力峰值比较Figure 3 Comparison of the von Mises stress peak value in the dentin among groups图注：图中ABC代表稳定咬合接触，AC代表不稳定咬合接触，ST代表天然牙，CO1代表全颌面轻度缺损，CO2代表全颌面重度缺损，MO1代表近中颌面轻度缺损，MO2代表近中颌面重度缺损，DO1代表远中颌面轻度缺损，DO2代表远中颌面重度缺损。

在不稳定咬合接触(AC)条件下，牙本质应力峰值明显升高，纤维桩修复后高于完
整天然牙16.4%，氧化锆桩修复后高于完整天然牙81.9%，且氧化锆桩修复后明
显高于纤维桩修复56.8%。

不稳定咬合接触时，牙本质应力峰值表现出重度缺损
时高于轻度缺损的趋势，这种趋势在纤维桩修复时更明显，氧化锆桩修复时不明显；但是近中、远中和全部颌面缺损之间仍无明显差异。

不稳定咬合与稳定咬合接触对牙本质应力峰值有明显影响，在完整天然牙，不稳定咬合接触时牙本质应力峰值比稳定咬合接触增加40.7%，桩核冠修复后，不稳定
咬合接触时牙本质应力峰值比稳定咬合接触增加91.3%，纤维桩修复后增加
96.4%，氧化锆桩修复后增加88.2%，说明桩核冠修复后，不稳定咬合接触对牙
本质的应力增加幅度明显提高，尤其是纤维桩修复后增加幅度大。

牙体组织应力水平在氧化锆桩修复后更高，尤其在不稳定咬合接触状态下，提示此时牙本质内部综合应力水平高，破坏风险大。

2.2 ABC稳定咬合接触及AC不稳定咬合接触下牙周膜的von Mises应力峰值和
分布比较牙周膜应力与咬合接触状态有显著关系，不稳定咬合时牙周膜应力峰值显著上升。

桩核材料选择对牙周膜应力峰值有影响，氧化锆桩修复后略高于纤维桩修复后。

在不稳定咬合接触时不同缺损条件亦有影响，但不明显。

应力峰值均见于牙颈部，根分叉及根尖区亦较高。

以完整天然牙、全颌面轻度缺损和全颌面重度缺损为例示牙周膜von Mises应力峰值及应力分布，见图5，6。

稳定咬合接触时，牙周膜应力峰值在桩核冠修复后均比完整天然牙低约39.5%，且与桩核材料有关，纤维桩高于氧化锆桩约7.4%，与缺损形式关系不明显。

不稳定咬合接触时，牙周膜应力峰值与修复材料和缺损形式均有关，纤维桩修复后明显高于氧化锆桩修复后8.3%，且略高于完整牙水平，而氧化锆桩修复后牙周膜应力峰值低于完整天然牙。

缺损形式也对牙本质应力表现出一定的影响，缺损大应力峰值略有升高，但影响不如桩材料的影响明显。

图4 各组牙本质von Mises应力分布的比较Figure 4 Comparison of von Mises stress distribution in the dentin among groups
图6 各组牙周膜von Mises应力分布的比较Figure 6 Comparison of the von Mises stress distribution in the periodontium among groups
图5 各组牙周膜von Mises应力峰值的比较Figure 5 Comparison of the von Mises stress peak value in the periodontium among groups图注：图中ABC 代表稳定咬合接触，AC代表不稳定咬合接触，ST代表天然牙，CO1代表全颌面轻度缺损，CO2代表全颌面重度缺损、MO1代表近中颌面轻度缺损，MO2代表近中颌面重度缺损，DO1代表远中颌面轻度缺损，DO2代表远中颌面重度缺损。

不稳定咬合与稳定咬合接触对牙周膜应力峰值有明显影响，在完整天然牙，不稳定接触时牙周膜应力峰值比稳定咬合接触增加20.5%；桩核冠修复后，不稳定咬合接触时牙周膜应力峰值比稳定咬合接触增加91.9%，说明桩核冠修复后，不稳定咬合接触对牙周膜的应力增加幅度明显提高，牙齿有滑动趋势。

3 讨论 Discussion
3.1 牙体缺损修复后应力变化牙体缺损，尤其是大面积缺损的桩核冠修复是恢复其形态和功能的有效方法。

牙体缺损修复后各部分的应力状态与剩余牙本质、修复材料和加载方式都有密切关系。

有限元法能够有效模拟牙颌系统复杂的形态结构，重复性好，非常适用于分析桩核冠修复系统应力变化。

有大量学者做了相关研究，但研究结果因牙位置、修复方式、建模方法、加载方式等不同而存在差异。

目前有限元研究热点已从单纯比较特定条件下应力分布进展到寻找各种加载条件下不同缺损及修复配置的影响，寻找最优化设计[17]。

牙体组织的缺损范围与牙体组织应力密切相关，一般认为缺损越大应力越高[18]。

杜莉等[1]对于下颌第一磨牙的研究发现，1/2以内的牙冠缺损对牙体组织应力影响不大，但大于1/2的缺损会导致牙本质应力升高，研究结果亦发现重度缺损时牙本质应力峰值升高，但不同缺损部位的影响不大。

修复材料的选择对修复后应力也有明显影响。

桩核的影响与材料弹性模量关系较大，有研究认为高弹性模量的桩会导致牙根高应力水平，建议采用低弹性模量的桩核[19]，但也有相反报道建议采用高弹性模量的桩核[20]，可能与建模及分析方式不同有关。

研究结果显示，高弹性模量的桩修复后牙体组织应力较高，建议采用较低弹性模量的桩核材料修复大面积牙体缺损。

天然牙咬合接触区面积越大张应力在颌面边缘嵴越低，可减少牙尖折裂可能，但在牙颈部近釉牙骨质界区应力水平上升，增加非龋性牙体病变风险，故修复时不应轻易改变接触区面积[21]。

研究显示加载面积越小牙冠应力水平越高[22]，压应力越大牙尖变形量越大[14]。

故研究采用的载荷均均布加载于1 mm2范围，避免点加载引起的应力集中[23]。

咬合力加载的位置、方向和角度也有重要影响，斜向和水平载荷在牙体牙周组织的应力水平高[24-25]。

3.2 咬合面形态对应力分布的影响后牙颌面的多尖结构增大了上下牙之间的咬合接触面积，提高了咀嚼效率，并有效分散了咬合力，牙尖斜面承担的分力均小于升
颌肌群所产生的垂直向咀嚼肌力，根尖区组织在牙尖交错位紧咬时所承受的应力明显小于垂直向的咀嚼肌力[26]。

生理情况下，上下颌牙尖斜面与颌面窝壁接触，在最大牙尖交错位时在颊舌面和近远中向均可达到稳定的接触，这种咬合接触的特点是3区式接触，有利于分散颌力，减少咬合力对牙的创伤。

以颊舌向为例，A区
为下后牙颊尖颊斜面与上后牙颊尖舌斜面的接触区，B区为下后牙颊尖舌斜面与上后牙舌尖颊斜面的接触区，C区为下后牙舌尖颊斜面与上后牙舌尖舌斜面的接触区。

ABC 3区中B区接触尤其重要。

当人工牙颌面形态恢复为AB区接触而C区不接触，或者BC区接触A区不接触时，接触点上所承担的咬合力有明显夹角，合力方向与牙体长轴接近；但是当AC区接触而B区不接触时，接触区上承担的咬合力方向基本相同，与牙体长轴有明显角度，使咬合关系不稳定，下颌牙有沿上颌牙引导尖斜面滑动的趋势，对患牙产生侧向作用力。

3.3 B区缺失对应力分布的影响根据hellman理论，理想咬合在全口有138个咬
合接触点，在下颌第一磨牙，有9个咬合接触区，经磨耗、融合，可简化成5个
接触点。

正常咬合接触建立是经过适应过程的，生理性磨耗使咬合接触从点变为面，形成磨耗小面，上下颌达到生理正常[27]。

修复体不同于自然磨耗形成的天然牙，其咬合接触取决于由技师制作的颌面形态，有很强的技术依赖性和敏感性。

良好的修复体能够恢复适当的咬合接触[28]，但由于制作过程中的误差积累，往往不能在患者口内完全实现在技师加工时的状态，修复体就位后的咬合一般需要调改。

修复体在刚戴入时与对颌的接触关系依赖于医生的调磨，由于牙周膜对压力的敏感性[29]，患者对咬合高点比较敏感，但关于咬合面上的低点是无法在短时间内发现的。

有研究显示，大于1/3的后牙桥修复体与对颌牙无接触，说明临床医生不自觉的
用不建立紧密接触的方式来避免临床失败[30]。

临床修复调磨的目标多是不存在咬合高点和咬合干扰，是否存在咬合低点往往不为大家所重视，存在低咬合可能发生代偿性萌出，而萌出后又可能出现新的咬合高点，引起不适。

所以当咬颌调整后不
存在咬合高点并不意味着颌面恢复良好，且修复体要恢复的咬合接触并不是大面积广泛均匀的接触，咬合接触面积要与患牙的牙体牙周功能相适应，恢复与功能适应的咬合接触单元[31]，适当减少咬合接触面积可降低作用在被修复牙上的咬合力。

也有研究认为不是所有的ABC都是有利的[32]，认为颌接触以患者个体感受为中心，不追求形态上的完美。

王楠楠[15]研究了7种咬合接触对健康下颌磨牙的应力分布的影响，发现单点咬合A、B、C、和AC型咬合接触引起组织应力大但其间
无明显差异，而AB/BC/ABC型之间亦无明显差异，因此研究选择差异较大的ABC和AC作为研究对象，分析咬合接触对修复系统的影响。

一旦存在B区缺失，会对被修复牙牙体和牙周组织产生巨大影响，明显大于对完整天然牙的影响，说明修复系统的存在降低了牙齿抵抗不稳定咬合的能力。

研究显示存在B区缺失的咬
合接触(AC)会使患牙在咬合过程中牙本质和牙周膜承受比有B区接触(ABC)时约高1倍的应力，在每日均达3 000次的咬合过程中不断作用，会对患牙产生巨大影响。

当牙体缺损严重，剩余牙体组织量少，无B区不稳定咬合接触(AC)时牙体组织应
力是稳定咬合接触(ABC)的1倍，且在氧化锆桩修复后应力水平更高，建议临床采用较低弹性模量的桩材料；在牙颈部区域，过高的应力可能引起牙周组织损伤，促进牙周炎症。

研究采用三维有限元法比较了稳定咬合接触(ABC)和不稳定咬合接触(AC)对不同程度牙体缺损经不同桩核冠系统修复后的牙体牙周组织应力分布的影响，发现相对于稳定咬合接触，不稳定咬合接触提高了牙体和牙周组织应力水平；采用高弹性模量的桩材料修复时，牙体组织应力更高，且缺损越大应力越高；纤维桩修复后牙周组织应力略高于氧化锆桩，和缺损形式关系不明显。

研究结果提示临床修复体咬合调整需精确恢复，尤其是不能缺少B区接触。

实验采用有限元法分析牙体受力后的应力变化，虽然所选病例复合中国人牙体解剖学的外形标准，具有一定代表性，但仅为单一样本观察，不宜做统计分析，不能直
接代表临床实际情况。

将有限元法引入到临床，结合数字化技术对每颗患牙进行个体化分析，对修复后的应力分布状况进行理论预测，进而指导修复方式的选择将是以后研究努力的方向。

将在今后的研究中引入离体牙实验，验证有限元法的理论计算结果，进一步详细设计讨论，为临床应用提供参考。

致谢：向太原理工大学应用力学研究所李建宾同学及山西医科大学口腔医院放射科张蕾医师致谢。

作者贡献：第五作者负责有限元分析，第三、四作者提供临床数据资料，第二作者对论文各方面进行指导和评估，第一作者参与全部实验过程并负责撰写工作。

利益冲突：所有作者共同认可文章内容不涉及相关利益冲突。

伦理问题：CT扫描志愿者对实验知情同意，不涉及伦理问题。

文章查重：文章出版前已经过CNKI反剽窃文献检测系统进行3次查重。

文章外审：文章经国内小同行外审专家双盲外审，符合本刊发稿宗旨。

作者声明：第一作者姚蔚对于研究和撰写的论文中出现的不端行为承担责任。

论文中涉及的原始图片、数据(包括计算机数据库)记录及样本已按照有关规定保存、分享和销毁，可接受核查。

文章版权：文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版权相关协议。

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